2017, Vol. 39
2. 中船重工（上海）节能技术发展有限公司，上海 200011;
3. 江苏新时代造船有限公司，江苏 靖江 214500
2. CSIC Shanghai Marine Energy Saving Technology Development Co., Ltd., Shanghai 200011, China;
3. New Times Shipbuilding Co., Ltd., Jinjiang 214500, China
波浪作为海洋环境参数之一，在海洋环境研究中具有重要的意义。而波浪测量装置的精确性和稳定性，直接关系到波浪测量结果的精确度和可信度。当前运用最广泛的海洋波浪测量装备有“波浪骑士”和声学多普勒流速剖面仪（ADCP）。两者的波浪测量原理不同，适用场合也不同。测波浮标利用安装在浮标内部的传感器随着海面变化采集运动参数，进而计算出波浪特征参数；ADCP采用将传感器布放于海底的形式，通过声学多普勒原理分析水流、跟踪波面，进而解算浪高、浪向等波浪参数。
为分析验证这2种装备的特点、适用性和准确度，在青岛附近海域利用DWR-MKIII测波浮标和诺泰克600K AWAC声学多普勒流速剖面仪开展对比测试试验，对所获得的波浪测试数据进行对比分析。试验证明，两者测得的波浪特性差异较小，符合特定环境的波浪测量所需。
1 测波浮标和ADCP的波浪测试原理 1.1 测波浮标的原理测波浮标是指放置在水面随波浪上下起伏的锚系浮标，通过安装在浮标内部的加速度传感器或重力传感器采集浮标随海面变化的运动参数，进而计算出波浪特征参数（如波高、周期和方向）。典型的仪器设备有荷兰Datawell公司生产的“波浪骑士”和加拿大AXYS公司生产的测波浮标，我国国家海洋技术中心、中国海洋大学、山东省科学院海洋仪器仪表研究所等单位也研制了此类型的浮标。
测波浮标的优点是测量准确度高、操作简单、易于维护、通信方式灵活，可长期连续观测，还可以通过加载卫星定位和报警系统提高其安全性。但也存在一些不足之处：浮标通过锚系固定，在强流和大风的影响下容易造成走锚或是浮标被压入水下，使用弹力锚系或是多段锚系与小浮球结合的方式也会影响浮标在海面的起伏运动，从而影响测量准确度；恶劣海况发生时可能会导致锚系断裂、设备丢失；在特定波浪作用下浮标可能发生共振，降低波浪测量数据的质量；浮标漂浮在海上，容易被过往的船只干扰和碰撞；内部的罗盘等传感器容易受到金属壳体的干扰等[1]。
1.2 ADCP的测波原理ADCP是用阵列法计算波浪的设备，即波浪仪将靠近水面的3～4个波束方向的3层单元的流速作为阵列，通过这些单元的轨道流速反演得出波浪的波高和波向等要素[2]。
阵列法的海浪方向谱反演算法有最大似然法（MLM）、扩展本征矢（EEV）法和贝叶斯方向谱估计法（BDM）等。最大似然法是波浪方向谱分析中最常用的方法，具有计算速度快、计算结果稳定、对噪音不敏感等特点，且具有一定的数值精度；但当仪器阵列距离反射面较近时，其方向分辨率会受到一定影响。扩展本征矢法能够得到能量分布更加集中于主波向的方向谱，但其适用范围有待进一步论证。贝叶斯法能够使能量在方向上的分布更平滑，获得更加可靠、精度更高的方向谱，前提是阵列元素个数不小于4，交叉谱质量较好且仪器布放深度不宜过大；但主要问题是计算时间长。美国RDI公司和挪威Nortek公司的ADCP波浪数据反演都使用的是最大似然法[3]。
使用ADCP测波浪是目前精度较高、应用较广泛的一种海浪测量手段。利用ADCP测量结果反演波浪方向谱包括流速反演和波面高度反演2种方法，其中波面高度反演由于直接测量波面变化，不需要任何中间转换，也不需要考虑洋流影响，而且水气界面声波反射强度明显比水质点大，因此测量数据精确度较高，与雷达测波仪相比，测量精度与测量范围均有一定优势。
2 对比试验的地点和测试设备本次研究共进行2次对比测试，试验过程中使用的设备为新购置的Datawell公司的DWR-MKIII测波浮标“波浪骑士”和Nortek公司的600K AWAC声学多普勒流速剖面仪“浪龙”，如图1所示。
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图 1 对比试验用测试设备 Fig. 1 Test equipments used for comparative test |
第1次试验于2017年4月20日在青岛附近海域（36°3′6.34″N，120°17′36.71″E）进行。测试地点如图2所示。以“波浪骑士”为基准，与“浪龙”进行对比试验。“浪龙”布放在水深约8 m海底；“波浪骑士”部署在“浪龙”斜上方50 m附近处，通过船舶锚定。
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图 2 第1次试验测试地点 Fig. 2 The location of the first test |
第2次试验于2017年5月10日在青岛附近海域（36°2′39.95″N 120°17′38.65″E）进行。测试地点如图3所示。同样以“波浪骑士”为基准，与“浪龙”进行对比试验。“浪龙”布放在水深约16 m海底；“波浪骑士”部署在“浪龙”斜上方，以“浪龙”的支架作为锚。
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图 3 第2次试验测试地点 Fig. 3 The location of the second test |
对比试验过程中，“波浪骑士”与“浪龙”的测量结果在自容式存储的同时，通过短波通信实时传输到岸站上进行存储。利用试验结果可以对两者的测量结果进行对比分析研究，以分析验证2种测量方法的精度、特点和适用性。表1为“波浪骑士”与“浪龙”的性能指标。
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表 1 试验测试设备的性能指标 Tab.1 Specification of the test equipments |
分别对2次试验中2种测试设备采集到的数据进行记录，所测得的时域内有义波高、平均跨零周期和谱峰波向等测试数据进行对比。
3.1 第1次对比试验的结果表2及图4～图6分别给出了该次试验“波浪骑士”与“浪龙”测得的有义波高、平均跨零周期和谱峰浪向的对比结果。可以看到，有义波高的对比结果较好，最大相对差值仅11.11%，考虑到实测波高仅0.3 m左右，意味着两者波高仅差4 cm。平均跨零周期的结果也较为理想，相对差值在15%以内，绝对差值在0.5 s以内。但谱峰浪向两者差别较大，尤其是ADCP“浪龙”的测试结果，谱峰浪向发生较大的振荡。考虑到ADCP的浪向是通过流向进行计算得到的，分析原因应该是ADCP布置得过于靠近岸边，岸边海流受海岸影响较大，导致浪向计算不准确。
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表 2 第1次试验结果对比 Tab.2 Comparison of results of the first test |
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图 4 第1次试验有义波高对比 Fig. 4 Comparison of significant wave height of the first test |
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图 5 试验1平均跨零周期对比 Fig. 5 Comparison of zero-crossing period of the first test |
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图 6 试验1谱峰浪向对比 Fig. 6 Comparison of wave direction of the first test |
表3及图7～图9分别给出了该次试验“波浪骑士”与“浪龙”测得的有义波高、平均跨零周期和谱峰浪向的对比结果。可以看到，该次海试结果较为理想，有义波高最大相对差值仅8.52%，平均跨零周期的最大差值约为0.5 s，谱峰浪向在14:00前都较为接近。
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表 3 第2次试验结果对比 Tab.3 Comparison of results of the second test |
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图 7 第2次试验有义波高对比 Fig. 7 Comparison of significant wave height of the second test |
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图 8 第2次试验平均跨零周期对比 Fig. 8 Comparison of zero-crossing period of the second test |
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图 9 第2次试验谱峰浪向对比 Fig. 9 Comparison of wave direction of the second test |
对2次试验结果进行对比分析，可以得出如下结论：
1）2种装备对有义波高的测量结果较为吻合，相对差值较小，试验中最大相对差11.11%，换算成绝对值，最大差值仅在4 cm左右。
2）对于平均跨零周期的测量，2次测量结果均比较相近，相差在15%以内，绝对值最大相差约0.5 s。
3）对于谱峰浪向的测量结果，2次测量结果相差较大。在第1次试验中，“波浪骑士”测值曲线平缓，ADCP（“浪龙”）测值曲线有振荡趋势；在第2次试验中，测量结果比较相近，最大相差在30%以内。考虑到ADCP测量浪向是通过对流向进行计算得到的，第1次试验测点与海岸距离较小，海流受海岸影响大，致使流场更为复杂，导致ADCP对浪向的计算结果精度下降。而浮标法中，浮标位于水面，直接测量波浪数据，基本不受水下流场影响。
4 结 语通过本次试验研究发现，“波浪骑士”与ADCP（“浪龙”）对有义波高和平均跨零周期的测量结果相近，精度基本相同。对于谱峰浪向测量，ADCP法在对近岸海域测量时，受海岸对流场作用的影响，导致测量失准；当ADCP远离岸线时，所得浪向与“波浪骑士”较为相符。也就是说，对于有限水深测浪，ADCP受地形影响较大，尤其是浪向测量结果受地形影响较大。而“波浪骑士”是浮标式设备，会随波浪在测点附近移动，这可能带来一定的误差，但受水下流场的干扰小。此外，“波浪骑士”和ADCP不同的测量原理也可能为两者结果带来误差。总体来看，在相对开阔海域，2种装备对波浪特征测量精度相近，也验证了ADCP测量波浪的有效性。
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